基于WiFi和RFID技術的小區智能門禁系統設計

韓媛媛

（衡水學院數學與計算機學院，河北 衡水 053000）

0 引言

通信技術的逐漸成熟使得人們的生活越來越方便，例如，用戶可以隨時隨地通過手機進行各種支付活動，并對個人賬戶進行查詢、轉賬、繳費、充值等功能的管理，用戶也可以隨時了解自己的消費信息。移動支付為用戶的生活提供了極大的便利，提高了人們的生活效率，也更方便用戶對個人賬戶進行管理，提升了人們對生活的體驗感。然而，隨著2020年新冠肺炎疫情的爆發，人們對居住環境安全性的意識越來越強，但是傳統的小區門禁系統功能單一[1]，且大都存在著功耗較大、通信距離有限、過多占用基站資源等缺點，可見已不能滿足人們的需求。因此，對小區門禁系統的改進刻不容緩。

STM32單片機相較于51單片機多了許多資源，如USB控制器，同時，它廢除了機器周期，所以它的速度大約是51單片機的幾十倍。其程序都是模塊化的，外圍接口功能也比較強大，另外，STM32單片機集低功耗、低電壓于一身，具有高度集成和開發簡易的特點，是項目開發的理想選擇[2]。射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種非接觸式自動識別技術[3]，利用無線射頻方式對電子標簽進行讀寫，其基本原理是將電子標簽放在需要識別的物品上，閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，發送出的編碼等信息被閱讀器讀取并解碼后送至電腦主機進行相關處理。電子標簽具有防水、防磁、耐高溫的特點，能夠保證射頻識別技術在應用時具有較強的穩定性。隨著移動終端的廣泛使用，用戶對無線接入的需求日漸突出，WiFi以其靈活性和移動性脫穎而出，幾乎所有的社區都完全被WiFi無線覆蓋。基于此，筆者將以STM32單片機作為主控機，結合WiFi技術和RFID技術設計完成一款小區智能門禁系統。

1 系統總體設計

基于WiFi和RFID技術的小區智能門禁系統的工作模式分為兩種：一種是控制模式，另一種是警報模式。

在控制模式下，用戶可以手動刷卡進入小區，前提是該卡已經在系統中被注冊成功。另外，為了防止出現用戶出行未帶門禁卡而無法正常出入小區的情況，用戶也可以使用手機NFC功能控制門禁的打開和關閉，或者通過手機應用程序進行門禁的控制，極大程度地為居民的出行提供方便。

在警報模式下，系統主要通過刷卡判斷用戶是否為小區住戶。若是小區用戶，蜂鳴器會響一次，作為打開門禁的提示，并在OLED顯示屏上顯示出小區住戶的正確住房信息，例如，“**單元***住戶歡迎您回家”。若是非小區用戶，蜂鳴器會持續報警，提醒門衛值班人員有非小區人員進入，做好身份登記，同時，OLED顯示屏上顯示“您無法進入該小區”，門禁系統無法正常打開。此外，系統還通過SHT30溫濕度傳感器實時監測室外的溫度和濕度，并將數值顯示到OLED顯示屏上，時間模塊RTC用于顯示當前時間，方便居民記錄當前所處環境與時間。

2 硬件系統設計

硬件系統設計由STM32單片機、RFID射頻模塊、WiFi模塊、OLED顯示屏、蜂鳴器、SHT30溫濕度傳感器等組成。

2.1 RFID射頻模塊

RFID射頻模塊采用RC522模塊，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫芯片，應用于13.56 MHz非接觸式通信，支持ISO14443兼容應答信號；與主機進行通信時，采用連線較少的串行通信，且可根據用戶的不同需求，選取SPI、I2C或串行UART模式之一，有利于減少連線，縮小PCB板體積，降低成本。在本系統中采用SPI通信模式。

2.2 WiFi模塊

WiFi模塊使用有樂鑫公司開發的高度集成ESP8266芯片，它具有體積小、丟包現象不嚴重、價格超低等優勢。ESP8266芯片是一款低功耗的串口透傳模塊，能夠將物理硬件與WiFi網絡連接，且性能較高[4-6]。在小區智能門禁系統中，將芯片作為一個WiFi模塊，不需要再對芯片進行開發，只需要根據模塊提供的接口，用AT指令和該模塊進行通信，讓模塊去接入網絡。它支持3種工作模式，分別是STA、AP和STA+AP模式。在STA模式中，該模塊通過路由器連接網絡，手機或者電腦實現對該設備的遠程控制。在AP模式中，該模塊作為熱點，手機或者電腦連接WiFi與該模塊通信，實現局域網的無線控制。STA+AP模式是兩種模式共存，既可以通過路由器連接到互聯網，也可以作為WiFi熱點，使其他設備連接到這個模塊，實現廣域網與局域網的無縫切換。

2.3 OLED顯示屏

OLED顯示屏是利用有機電自發光二極管制成的顯示屏，由于同時具備自發光有機電激發光二極管，所以該顯示屏不需背光源，而且對比度高、視角廣、反應速度快，比較適合在露天環境中使用。因此，本系統選用OLED顯示屏。

2.4 蜂鳴器

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，只要供電，接入信號，就會產生蜂鳴聲。本系統利用蜂鳴器發出的蜂鳴聲實現報警功能，在系統中使用的是由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成的壓電式蜂鳴器。

2.5 SHT30溫濕度傳感器

SHT30溫濕度傳感器得益于瑞士Sensirion公司推出的CMOSens技術，比其他類型的傳感器更加安全可靠，具有功耗低、反應快、抗干擾能力強等優點。而且該傳感器的內容經過了校準、線性化與放大等操作，輸出的是與溫濕度成線性關系的模擬電壓，不需要額外的驅動庫，使用簡單方便，其溫度工作范圍為-40℃～125℃，濕度工作范圍是0～100%RH，達到了門禁系統中溫濕度的標準。因此，本系統采用的SHT30溫濕度傳感器。

3 軟件系統設計

軟件系統設計主要包括讀門禁卡功能設計、遠程控制功能設計和基礎信息顯示及警報功能設計。

3.1 讀門禁卡功能設計

該功能利用RC522模塊實現，其執行程序可以分成兩部分：

1）RC522的初始化。ISO14443協議分為Type A和Type B兩種，本系統中選用的門禁卡使用的是Type A協議，因此，需要設置RC522的工作方式。由于該模塊需要通過SPI協議與STM32單片機進行通信，所以還需要初始化SPI協議。

2）RC522讀取門禁卡。首先，尋找天線范圍內的門禁卡，若尋卡成功，則做一個防沖撞的判斷；若防沖撞成功，則在液晶屏上顯示門禁卡的ID號；然后，進行門禁卡選擇，若選卡成功，則進行門禁卡密碼的驗證，驗證通過后進行門禁卡信息的讀取；若讀取到門禁卡的信息已被存儲，則門禁打開。

讀門禁卡程序流程圖如圖1所示。

圖1 讀門禁卡程序流程圖

3.2 遠程控制功能設計

為滿足居民對移動終端的需求，設計了手機端應用程序，通過與選用的ESP8266模塊相連，實現了遠程控制功能。

首先，進行ESP8266的初始化，在此階段需要初始化UART串口，進行WiFi的設置并連接。例如，設置ESP8266的工作模式，然后，在手機端應用程序中創建新用戶；通過MQTT協議與物聯網云平臺建立超鏈接后，將信息寫入物聯網云平臺（網址為iot.embsky.com），用戶登錄網頁版物聯網平臺查看Client ID，并將其復制到手機端應用程序的Client ID處進行登錄，查看訂閱的主題，建立連接；這樣手機端與門禁卡便能夠同時控制門禁的開關。遠程控制流程圖如圖2所示。

圖2 遠程控制流程圖

3.3 基礎信息顯示及警報功能設計

本系統利用SHT30傳感器進行溫濕度信息采集，并顯示到OLED顯示屏上，利用蜂鳴器實現警報功能。首先，初始化SHT30傳感器所使用的GPIO引腳，配置采樣頻率；然后，發送讀取SHT30溫濕度數據的指令，使其能夠產生開始信號，并發送設備地址。第一次等待確認信號，發送采樣指令的高字節；第二次等待確認信號，發送采樣指令的低字節；最后一次等待確認信號并產生結束信號。在進行蜂鳴器配置時，首先，初始化相應的GPIO引腳，并定義GPIO初始化結構體的變量；其次，通過時鐘總線使能所需要的GPIO時鐘；最后，配置引腳的輸出模式和輸出速率，若引腳輸出高電平，蜂鳴器響，若輸出低電平，蜂鳴器不響。

4 系統測試

4.1 讀門禁卡功能測試

在測試中，選用兩張門禁卡，第一張設定為一單元503住戶，第二張設定為非本小區門禁卡。刷卡時，OLED顯示屏分別顯示“一單元503住戶歡迎您回家”和“您無法進入該小區”，讀門禁卡功能測試通過。

4.2 遠程控制功能測試

對于ESP8266模塊的測試主要是判斷能否通過串口正常收發數據，以及能否和服務器正常組網。測試中，在手機上設置所注冊的WiFi用戶名與密碼，進行連接。經檢測，可以完成通信。

在進行測試時，手機安裝MQTT軟件，將注冊的卡片進行刷卡測試，判斷注冊的用戶是否能夠正常進入到小區里；然后，使用未注冊的卡片進行刷卡測試，判斷是否能夠進入小區；并且，測試手機端應用程序功能，點擊門禁開關按鈕，判斷是否能夠成功進入。經檢測，系統中的手機端應用程序可以完成組網并通信。

4.3 基礎信息顯示及警報功能測試

該測試主要是測試傳感器能否獲取到正確的數據。測試中，將串口和電源連接起來，觀察OLED顯示屏上是否出現實時的溫濕度；通過刷小區住戶門禁卡與非小區住戶門禁卡進行測試，觀察顯示屏上能否得到正確的用戶信息，蜂鳴器是否會報警，以此來判斷傳感器是否正常工作。經檢測，各部分信息正常且有顯示，當非小區用戶刷卡時，蜂鳴器會報警。

5 總結

筆者基于WiFi和RFID技術設計了一款智能門禁系統，同時，考慮到現代人對智能終端的依賴，還設計了遠程控制功能。但為了防止外來人員隨意仿造本小區用戶門禁卡，所以未提供注冊門禁卡的功能；同時，為防備外來人員的闖入，設計了警報功能，一定程度上達到了保護居住小區用戶安全的目的。